频谱分析仪计量检定

本文所涉及的频谱仪是扫频超外差型频谱仪。
频谱分析仪的基本组成
常用的频谱分析仪由射频前端电路、中频放大电路、显示电路、 扫描电路、校准信号源和微机控制电路等六大部分组成。
射频前端 电路
中频放大 电路
显示电路
校准 信号源
频率控制 CPU
从频率基准 来
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
操作数据采集 CPU
扫描 电路
I/O板
射频前端电路
傅里叶级数还有其他表示形式，比较常用的是余弦表达式：
f (t ) a 0 C n cos( n t n ) n 1
Cn
1 2
a
2 n
b
2 n
式中：
tg n
bn an
T——信号周期，单位为s（秒）；
n——正整数；
f——信号的基波频率，单位为Hz；
ω——称为角频率，单位为rad(弧度)。
由上述式子可看出，满足狄利赫勒条件的周期函数f(t)可用无限个幅度为Cn，角频 率为2πn/T的正弦振荡之和表示。
衰减 器
低通
中放 检波 视放
本振
扫描
显 示
发生器
器
扫频超外差型分析仪的缺点
扫频超外差式频谱分析仪虽然有很多优点，但它有一 个最难解决的问题是真假信号的识别。 1.多次响应：
由于本振信号很大(如HP8590和HP8560的第一本振信号 功率为16dBm±2dB，所以混频器对本振信号而言是非线性工作 状态，会产生的很多谐波。 2.谐波响应：
脉冲信号
脉冲信号这里指脉冲的上升（下降）时间是零、顶部平坦的周期脉冲。
f
(t)
0,当
T 2
t
E,当t
kT kT
时 2 ，k 时
0,1,2,3,....
2
f (t) E sin(n / T ) cos(2n / T )t
T n n / T
周期脉冲的时域和频域图
a)时域图
b)频域图
脉冲信号调幅信号
它是扫描时间和回扫时间的总和，回扫时间 除了少量的锯齿波复位时间外，大部分是频谱分析仪 处理数据的时间。如对数据格式化、打标记、平均、 本振重新调谐等，对一台频谱分析仪来说设计完成后 回扫时间就是一个定数，故称为“死时间”。例如频 谱分析仪快速扫描时，就要求本振能快速调谐。
分辨带宽
带宽是指中频滤波器3dB或6dB带宽， 亦称为静态分辨带宽。理想状态是能做得很窄 （如1Hz带宽），且带宽能连续调节。由于实 际工艺水平的限制，带宽在6Hz到3MHz之间分 档或近似连续可调。
i (t) c k f f (t)
调频信号的时域表示式是：
vFM (t) E cos[ct k f f (t)dt]
调制信号为单音余弦信号时调角信号的频谱
调相信号的时域表示为：
vPM (t) E cos[ct 0 p cos t]
调频信号的时域表示为：
vFM (t) E cos[ct 0 M F sin t]
一个周期函数f(t)在一个周期内只有有限个极点，只有有限个第一类间隔点（在 这种间隔点左右极限存在），而其余各处都是连续的，称这个函数满足了狄利赫 勒条件，它可以展成傅里叶级数：
f (t ) a 0 [ a n cos( n t ) b n sin( n t ) ] n 1
2 2f T
第十五篇 频谱分析仪计量
频谱分析的基础理论知识
信号分析主要从三个方面进行，即时域、频域和调制域。 频域测量分析方法是观测信号幅度(V）或能量(V2)与频率的关系， 或者说测量分析信号所包含的频率成分的分布。频谱分析仪就是 分析信号频域特性的仪器。
当一个信号随时间作周期或准周期变化时，用傅里变换 可以表示成一个基波分量及许多谐波谐波分量之和的形式，基波 及各次谐波按其频率高低的顺序排列就是信号的频谱。周期（或 准周期）性信号的频谱是由一组离散的线条组成的离散谱，又称 为线谱。
跟踪信号发生器
跟踪信号发生器的输出信号是由本振信号和中频信号混 频产生的，它和频谱分析仪的本振信号一一对应，同步调节。有 了跟踪信号源，频谱分析仪就可对两端口器件进行标量网络参数 的分析。
频谱分析仪的检定
为确保频谱仪能工作在要求的性能指标状态 下，必需对其各项参数进行定期的测试和校准，必要 时还要进行调整。通常是通过对频谱仪的检定来完成 该项工作的。
三、与频率和幅度都有关的参数及术语 （一）等效噪声带宽BN （二）幅度频率响应 （三）交调抑制度 （四）交流声边带 （五）噪声边带 （六）剩余响应
工作频率范围
频谱分析仪能够满足所有规定性能的被测信号频 率范围。工作频率范围小于一个倍频程时称为窄带频谱分 析仪。频谱分析仪输入端的隔直流电容构成高通滤波器， 其截止频率决定了频谱分析仪工作频率范围的下限；而第 一混频器的频率响应性能，第一本振的扫频范围和输入低 通滤波器（或预选器）的截止频率，决定了频谱分析仪工 作频率范围的上限。
扫描时间
从频谱分析仪显示屏水平轴最左端到最右端 扫一回所需的时间。也有两种表示方法，一种是全程 （满屏）扫描时间，一种是每格扫描时间。扫描时间 主要受分辨带宽滤波器的限制，因为这些中频滤波器 是需要充电和放电时间的频带受限电路。
扫描速度
单位时间内的扫频宽度，等于扫频 宽度除以扫频时间。
测量时间
频谱分析仪的检定参数
一、与频率有关的参数 （一）工作频率范围： （二）扫频宽度： （三）扫频时间： （四）扫频速度： （五）测量时间： （六）分辨带宽： （七）视在带宽 （八）最佳动态分辨带宽Bod： （九）残余调频： （十）视频带宽： （十一）谱线显示：
二、与幅度有关的参数 （一）最大允许输入电平 （二）噪声系数 （三）灵敏度 （四）参考电平 （五）增益压缩点 （六）动态范围 （七）幅度准确度
当本振调到某个频率时，由于在混频器中产生谐波，频谱 分析仪就能对几个信号频率同时进行响应，在显示器上表现为 同一根响应线。
扫频超外差型分析仪的缺点的解决方法
解决上述问题有两种方法，一种是在频谱分析仪中安装信号识别装置 ，能很方便的识别输出信号与本振进行混频的模式n，从而在对应的频率标 尺上直接读出输入信号的频率。这种识别装置可以是手动的，而对于带有微 处理器的频谱分析仪利用综合调谐程序自动完成识别。另一种方法就是使用 跟踪预选择性带通滤波器，把它安装在混频器之前，其中心频率和扫频频率 同步调谐，这就相当于把调谐滤波器式分析仪和扫频超外差式分析仪的优点 合二为一。
视频带宽
中频检波器后的低通滤波器称为视频滤波器， 其带宽可选择，可对噪声起平滑作用，易于在噪声中检 测微弱信号，不影响频谱分析仪的分辨能力，但选择的 带宽过窄，将增加扫描时间。
谱线显示
当静态和动态分辨力带宽小于各个频率分量之间的间 距时，在频谱分析仪上所产生的幅度显示。也称为辨 别频率成份的能力。
c
)
(
c
)]
调角信号的频谱
调角信号可分为调相信号和调频信号两种： 调相信号的特点是，调制信号线性地改变载波相位，即：
(t) ct 0 k p f (t)
调相信号的时域表示式是：
vPM (t) E cos[ct 0 k p f (t)]
调频信号的特点是，调制信号线性地改变载波的瞬时频率，即：
ki
(
WS TS BS2
)2
4
视在带宽Bd与静态带宽Bs之比为：
1
B
Bd BS
1
ki
(TWS BSS2
)2
2
最佳动态分辨带宽Bod
扫频宽度和扫描时间组合下的最小动态分辨带宽。
残余调频
表示频谱分析仪本振（主要是第一本振）的 短期频率不稳定性，一般指规定的测试带宽，在某规 定时间间隔内频率抖动的峰值或峰峰值。它引起谱线 晃动，降低了实际的频率分辨力。
把周期脉冲调制在频率是的载波上，根据频谱搬移定理，可以得到用周 期脉冲调幅波的表示式：
v(t)
E
T
n
sin(n / T ) n / T
cos(c
2n
/ T )t
周期脉冲调幅信号的频谱图
期脉冲调幅信号的功率谱
频谱分析仪上显示的周期脉冲调幅信号的功率谱，其谱线分布相对于载 频是对称的。
当脉冲的占空比远小于1时，频谱的能量分布。
进行信号频率变化和幅度控制的电路通称为射频前端电 路，它保证了正确地接收信号。
中频放大电路
中频电路部分包括可变增益中放电路、分辨带宽选择电路、 过载检测和幅度控制电路等。
显示电路
线性/对数放大电路、检波电路（解调电路）、视频滤波 电路、数字化处理电路和显示器等。
扫描电路
扫描电路是一个锯齿波发生器，它有两路或三路输出， 一路输出到显示部分的水平放大器，驱动显示器的水平偏转板， 另一路输出到第一本振的驱动器，设置中心频率和扫频宽度。当 有预选器时，扫频电路就把第三个输出电压送到预选器的驱动器， 与本振同步改变中心频率设置。整个过程都由频率控制CPU集中控 制。
滤波器1
检波器1
扫描 开关
多
滤波器2
检波器2
路 低通滤波器
显示
分
器
配
器
滤波器n
检波器n
调谐滤波器型频谱分析仪
调谐滤波式频谱分析仪是通过在整个测量范围内移动 一个带通滤波器的中心频率及带宽来工作的。
调谐 滤波器
检波器
扫描 电路
扫频超外差型分析仪
它实际上是一个校准于正弦波均方根值的频率选择 性峰值响应电压表。把本振作为扫频器件，输出本振信号频 率从低到高输连续扫动，与输入的被测信号中各频谱分量逐 个混频，使之依次变为相对应的中频的频谱分量，经检波和 视放后显示在荧光屏上。
视在带宽
又称为动态分辨带宽，它是在扫描时间相对来说较短时，显
示屏上看到的分辨带宽，它比静态带宽有一定的幅度下降和展宽。这是因